X Международная дистанционная олимпиада «Эрудит» Биология 8 класс 2 тур

X Международная дистанционная олимпиада «Эрудит»
Биология
8 класс
2 тур
Рекомендуемые ответы
Максимальное количество баллов – 100.
Задание №1 (до 20 баллов)
Один из видов антилоп максимально приспособился к жизни в жаркой
пустыне. Но основным способом защиты у них, по-прежнему, остается быстрый
бег. Вам хорошо известно, что при быстром беге в теле выделяется большое
количество тепла и возникает опасность перегрева. А в жаркой пустыне и без того
жарко.
Больше всего в такой ситуации, уязвим головной мозг антилоп, так как нейроны
очень чувствительны к высоким температурам. Не зря в старину говорили «держи
ноги в тепле, а голову в холоде», а жители пустынь, как правило, носят весьма
специфичные массивные головные уборы.
Вопросы:
1. Каким образом данному виду антилоп в жаркой пустыне удается избежать
перегрева головного мозга, несмотря на то, что им часто приходится быстро
бегать, а иногда и на длинные дистанции?
2. Какие физиологические приспособления, возникшие в результате эволюции,
помогают данному виду антилоп избежать перегрева головного мозга в
жаркой пустыне?
3. А какие ещё существуют приспособления у животных, обитающих в пустыне,
позволяющие им избежать перегрева головного мозга?
Примерное содержание ответа:
Антилопам, живущим в жаркой пустыне, удается избежать перегрева
головного мозга благодаря возникшей в результате адаптивной эволюции
своеобразной системе теплообмена в организме животного.
Мозг антилопы – это наиболее уязвимая к перегреву часть организма. Во
время интенсивного бега температура тела антилоп возрастает до 46 градусов, но
при этом животное не погибает, а мозг исправно работает. Это возможно только
благодаря существованию особой системы охлаждения головного мозга –
каротидной системе. У антилоп кровь, питающая их мозг, в сильную жару всегда
имеет температуру меньшую температуры их тела. При прохождении через
каротидную систему более теплая артериальная кровь, идущая к мозгу по артериям
из тела, охлаждается встречным венозным кровотоком, идущем по сети капилляров,
оплетающих артерии. Охлаждение же самой венозной крови происходит в
слизистом эпителии воздухоносных путей дыхательной системы за счёт
интенсивного испарения влаги. Благодаря такой специфичной системе охлаждения у
антилоп температура мозга может быть ниже температуры тела на 2 – 3 *С.
У животных существует две основные стратегии выживания в условиях
колеблющихся температур:
1. Пойкилотермия – это подчинение организмов ходу внешних температур
(земноводные, пресмыкающиеся). В условиях сухого жаркого климата
подчинение температуре среды имеет ряд преимуществ: позволяет избегать
потерь воды, так как отсутствие различий между температурой тела и
среды не вызывает дополнительных испарений. Высокие температуры
пойкилотермные животные переносят легче, с меньшими энергетическими
тратами.
2. Гомойотермия – стратегия сопротивления факторам среды (птицы,
млекопитающие). Обладает набором терморегуляторных средств, что
позволяет им регулировать температуру тела.
3. Возможно сочетание обеих стратегий – гетеротермность – распространена
среди птиц и млекопитающих, позволяет сочетать выгоды от постоянства и
перемены температуры тела. Основные проявления гетеротермности –
способность впадать в спячку или торпидное состояние (оцепенение).
Сочетание эффективных способов химической, физической, поведенческой
терморегуляции позволяет животным поддерживать свой тепловой баланс, избежать
перегрева.
Приспособления животных, обитающих в пустыне и позволяющих им
избежать перегрева:
1. Испарение влаги путем потоотделения с поверхности тела. Испарение
увеличивается при повышении температуры окружающей среды и повышении
температуры тела. У амфибий, например, тело остается прохладным благодаря
испарению воды с его поверхности.
2. Испарение влаги через влажные слизистые оболочки полости рта и верхних
дыхательных путей. Увеличение дыхательных движений обеспечивает не только
вентиляцию легких и газообмен, но имеет и терморегуляционное значение. При
повышении температуры число дыханий увеличивается, а вместе с этим повышается
и количество тепла, выводимого из организма. Учащенное поверхностное дыхание
— полипноэ. У собаки при жаре – 300-400 дыханий в минуту при норме 20-40
дыханий в минуту. Полипноэ характерно и для пустынных игуан. Для птиц
характерна горловая дрожь — колебательные движения нижней стороны шеи
(вентиляция дыхательных путей). Крокодилы, змеи и некоторые ящерицы в жару
широко раскрывают пасть.
3. Черепахи охлаждаются за счёт испарения слюны, которой они смачивают
поверхность кожи головы, передних конечностей. Пустынные грызуны также
смачивают слюной мех на нижней челюсти и горле, принося временное облегчение,
когда температура тела приближается к критической. Животные с шерстяным
покровом облизывают тело. Влажная шерсть повышает теплопотери за счет
проводимости.
4. Для черепах также характерно обрызгивание мочой задних конечностей,
испарение которой также охлаждает тело.
5. Поведенческие способы регуляции теплообмена (изменение позы, поиск
укрытий, сооружение сложных нор, гнезд, осуществление миграций ближних и
дальних). В норах на глубине 1-1,5 метра не ощущаются даже сезонные колебания
температуры.
Ящерицы зарываются в песок.
6. В целях терморегуляции многие животные используют тактику группового
поведения (верблюды в жару сбиваются вместе, прижимаясь боками друг к другу,
при этом достигается эффект – предотвращение нагревания всей поверхности тела.
В центре скопления температура равна температуре их тела, а на спине и боках
крайних животных достигает 70 градусов).
7. Большинство животных, активных в дневное время, прячутся от
полуденного зноя в тень или ориентируют свое тело так, чтобы под солнечными
лучами находилась как можно меньшая его часть.
8. Переход в состояние оцепенения (обратимая гипотермия – спячка –
нерегулярное оцепенение, суточное или сезонное; эстивация или летняя спячка,
широко распространенная среди насекомых и рыб) – это адаптивная реакция: почти
не функционирующий организм не подвергается повреждающим воздействиям, не
расходует энергию, что позволяет выжить при неблагоприятных условиях.
Животные проводят в состоянии замедленной жизни самое жаркое время года,
которое обычно совпадает и с наибольшей сухостью.
9. Кратковременных изменений животные достигают, взъерошивая или
укладывая шерсть и перья, чем регулируется количество удерживаемого в них
воздуха, а также меняя положение тела в зависимости от погоды. На поверхностную
теплоизоляцию влияют ветер и влажность.
10. Крупные млекопитающие: верблюды, газели, канны, ориксы и антилопымендес, а также страусы – избыток тепла, накопленного в течение дня, расходуют
ночью, излучая его.
11. Важный способ сохранения воды и уменьшения выработки эндогенного
тепла – это уменьшение потребления пищи, так как ее переваривание и дефекация в
норме связаны с потерей воды.
12. Подобно тому, как корни растений способны поглощать воду из влажной
почвы, так многие паукообразные пустынь умеют извлекать влагу из сырого песка.
Некоторые членистоногие извлекают влагу из ненасыщенного воздуха.
13. Окраска животного мало влияет на потерю тепла, но, все - таки, черные
животные поглощают больше солнечного тепла, чем белые, которые сильнее
отражают свет.
14. Потеря тепла пропорциональная поверхности тела и, следовательно, тем
выше, чем больше отношение поверхности тела к его объему, т.е. чем меньше тело
животного. Чем крупнее животное и чем компактнее форма его тела, тем легче ему
поддерживать постоянную температуру; чем мельче животное, тем выше уровень
его основного обмена.
Задание №2 (до 20 баллов)
В зоологии и экологии принято делить животных на плотоядных и
травоядных. Это связано с тем, что они используют в пищу принципиально разные
пищевые субстраты.
Вопросы:
1. В чем проявляется различие ферментного состава у плотоядных и
растительноядных животных?
2. В чем будет проявляться особенность всеядных животных?
Примерное содержание ответа:
Процесс переваривания пищи — это биологический процесс, представляющий
последовательный ферментативный гидролиз пищевых полимеров до мономеров,
при постепенном перемещении пищи по отделам ЖКТ.
Ферментативная система пищеварительного тракта включает в себя:
1. ферменты пищеварительных секретов, выделяемых внутристенными
или застенными пищеварительными железами;
2. ферменты, образуемые микроорганизмами пищеварительного тракта;
3. ферменты, содержащиеся в растительных кормах.
Разнообразие объектов питания приводит к образованию в организме
большого количества ферментов, активность которых направлена на расщепление
сложных пищевых веществ. Эти ферменты группируются следующим образом:
амилолитические,
расщепляющие
углеводы
различной
сложности;
протеолитические, расщепляющие белки, и липолитические — жиры. В
переваривании белков участвуют протеазы (эндо- и экзопептидазы) , углеводов –
карбогидразы (амилаза, глюкозидаза, инвертаза, галактозидаза), нуклеиновых
кислот
–
нуклеазы
(рибонуклеаза,
дезоксирибону-клеаза),
жиров
–
карбоксилэстеразы (липаза, фосфолипаза, холинэстераза). Конечными продуктами
гидролиза питательных веществ являются мономеры: при гидролизе белков –
аминокислоты, жиров – жирные кислоты и глицерин, углеводов – простые гексозы,
главным образом глюкозы. Нуклеиновые кислоты расщепляются до пуринов,
пиримидинов, рибозы, дезоксирибозы и фосфата.
Спектр ферментов меняется и с возрастом животных, что обусловлено сменой
условий питания. Установлена тесная зависимость спектра и активности
пищеварительных ферментов от характера питания животных.
Плотоядные животные в основном
питаются белковой пищей.
У плотоядных животных
преобладают протеазы
В ферментном составе плотоядных
животных большую часть ферментов
составляет:
Трипсин
Растительноядные животные
питаются растительной пищей.
У растительноядных животных карбогидразы
В ферментном составе
растительноядных животных
большую часть ферментов
составляет:
Амилаза
Пепсин
Соляная кислота
Мальтаза
Птиалин
Всеядность – это способность животных употреблять в пищу широкий спектр
продуктов и организмов: растения, грибы, других животных.
Всеядные животные – эурифаги – в процессе эволюции, как правило,
изменили свой изначальный тип питания, стремясь максимально приспособиться к
среде своего обитания. Как правило, летом они питаются растениями, а зимой
охотятся на других животных. В результате они адаптировались к постоянной смене
рациона. Поэтому ферменты всеядных животных будут включать в себя как
ферменты плотоядных, так и ферменты растительноядных.
Особенности всеядных животных заключаются в том, что с пищей они
получают и белки, и жиры, и углеводы. В переваривании белков участвуют
протеазы (эндо- и экзопептидазы), углеводов – карбогидразы (амилаза, глюкозидаза,
инвертаза, галактозидаза), нуклеиновых кислот – нуклеазы (рибонуклеаза,
дезоксирибону-клеаза), жиров – карбоксилэстеразы (липаза, фосфолипаза,
холинэстераза). Конечными продуктами гидролиза питательных веществ являются
мономеры: при гидролизе белков – аминокислоты, жиров – жирные кислоты и
глицерин, углеводов – простые гексозы, главным образом глюкозы.
Задание №3 (до 20 баллов)
Некоторые рыбы имеют электрические органы, напряжение в которых может
достигать 600В. Разряд такого тока, как правило, оказывается для жертвы
смертельным.
Вопросы:
1. Как вы думаете, у каких рыб, пресноводных или морских, напряжение,
возникающее в электрическом органе выше?
2. Почему?
Примерное содержание ответа:
Электрические органы возникли независимо у нескольких видов рыб,
далёких друг от друга, и систематически встречаются как у пресноводных рыб, так и
у морских. Они были у многих ископаемых рыб, в том числе и бесчелюстных. Среди
современных рыб электрическими органами обладают более 300 видов.
Исследования показали, что почти среди 300 известных в наше время видов
электрических рыб лишь немногие дают сильные и редкие импульсы.
В соответствии со способностью к генерации электрических полей рыб
разделяют на три группы:
1. «Сильноэлектрические» виды – имеют большие электрические органы,
генерирующие разряды от 20 до 600 В. Основное назначение разрядов – нападение и
оборона (электрический угорь, электрический скат, электрический сом).
2. «Слабоэлектрические» виды – имеют небольшие электрические органы,
генерирующие разряды напряжением менее 17 В. Основное назначение разрядов –
локация, сигнализация, ориентация (обитающие в мутных реках Африки многие
мормириды, гимнотиды, некоторые скаты).
3. «Неэлектрические» виды – не имеют специализированных органов, но
обладают
электрической
активностью.
Генерируемые
ими
разряды
распространяются на 10–15 м в морской воде и до 2 м в пресной. Основное
назначение генерируемого электричества – локация, ориентация, сигнализация
(многие морские и пресноводные рыбы: ставрида, атерина, окунь и др.).
Продолжительность, последовательность, мощность
электрических разрядов
зависят:
 от степени возбуждения,
 от вида рыбы,
 от возраста: чем старше становится рыба, тем сила тока больше;
 от размера (чем крупнее рыба, тем больше напряжение).
Таблица: Сравнительные характеристики электрических рыб
Минимальное Максимальное
Среда
Название
напряжение
напряжение
обитания
разряда, В
разряда, В
Угорь
Пресный
300
500
электрофорус водоем
Электрический Пресный
150
350
сом
водоем
Электрический Море, океан
30
50
скат (малый)
Электрический Море, океан
50
80
скат (большой)
Мормириус
Море, океан
35
50
Напряжение
на одном
элементе, В
0,03-0,05
0,015-0,035
0,003-0,005
0,005-0,008
0,0035-0,005
Из таблицы хорошо видно, что максимальный разряд вырабатывают
электрические органы у рыб, обитающих в пресных водоемах, а минимальный
разряд у рыб, обитающих в солёной воде, проводимость которой достаточно
хорошая.
У электрического угря, электрического сома, электрического ската
электрические органы состоят обычно из преобразованных в них частей мышц и
построены по принципу вольтова столба.
ВОЛЬТОВ СТОЛБ — гальваническая батарея, состоящая из нескольких
последовательно соединенных элементов.
Мышечные, нервные и железистые клетки дискообразной формы у
«электрических рыб» называются «электроцитами» и представляет собой
последовательное электрическое соединение. Именно таким образом достигается
значительное увеличение общего напряжения разряда. Благодаря этой особенности
строения электрических органов у электрического угря, электрического сома,
электрического ската генерируются сильные, оглушающие добычу или
отпугивающие врага разряды постоянного тока, напряжением даже превышающие
650 В, и силой около 2 А, т. е. мощностью свыше 1000 Вт.
Электрические органы угря – это преобразованные мышцы – обычно
располагаются по бокам, простираясь вдоль позвоночника. Это своеобразная
батарея, плюс которой находится в передней части тела, а минус – в задней. Угорь
создает особенно сильное напряжение тока, когда он изогнется дугой так, что
жертва находится между его хвостом и головой: получается замкнутое
электрическое кольцо.
Электрические органы ската состоят из вертикальных столбиков,
размещенных в мышечной ткани рыбы в шахматном порядке и разделенных рыхлой
тканью. Скат способен накапливать напряжение между спинной и брюшной
стороной. Разность потенциалов сохраняется без разряда длительное время. При
этом скат может "регулировать" силу тока, продолжительность и мощность разряда.
Эта способность аккумулировать и эффектно использовать энергию приводит к
тому, что эта рыба может произвести за раз серию разрядов небольшой мощности,
достаточной для умерщвления добычи (мелкой рыбы, кальмара, краба и т. д.) или
отпугивания непрошеного гостя. При единовременном расходе всего запаса
электроэнергии, скат способен убить или обезвредить достаточно крупное
животное. Напряжение, образующееся на теле ската, небольшое, но ток разряда у
скатов достигает значительной величины – до 60 А (благодаря большой площади
тела), поэтому мощность электрического импульса может достигать (теоретически)
3 кВт!
Электрические органы сома – способен вырабатывать напряжение,
достигающее 350 В, а у крупных особей – до 450 В, при силе тока 0,1–0,5 А.
Главной особенностью электрического сома является наличие электрических
органов, расположенных по всей поверхности тела, непосредственно под кожей.
Они составляют 1/4 массы сома. Соединительные ткани сома служат в качестве
своего рода перегородок для разделения электрического органа на несколько
столбиков, составленных из большого количества мышечных, нервных и
железистых клеток дискообразной формы, называемых электроцитами или
электрическими пластинками, мембраны которых являются электрическими
генераторами. У электрического сома насчитывается около 2 млн. электроцитов. Их
связь с нервной системой осуществляется через ответвления одной большой
нервной клетки в спинном мозге. В столбиках электроциты расположены таким
образом, что на лицевой стороне одного электроцита находится обратная сторона
другого. Противоположные стороны электроцита электрически полярны, за счёт
чего связь электроцитов представляет собой последовательное электрическое
соединение. Таким образом, достигается значительное увеличение общего
напряжения разряда.
Электрический сом — малоподвижная всеядная рыба. Охотится ночью:
максимальная степень активности наблюдается через 4—5 часов после заката. Во
время ночной охоты он активно ощупывает усиками находящиеся вблизи предметы,
генерируя при этом мощные разряды: он может производить более 100 разрядов в
секунду. Когда запасы электроэнергии у него истощаются, он «отдыхает».
Электрические органы служат сому не только для ориентации в пространстве:
поражающей силы электрических разрядов достаточно для того, чтобы парализовать
или даже убить малых и средних по размерам рыб, которыми электрический сом и
питается. Электрическое поле вокруг сома приводит также к электролизу воды, в
результате которого происходит обогащение воды кислородом, что приманивает
рыб и лягушек, облегчая тем самым электрическому сому поиски жертв.
Электрический сом является территориальной рыбой, агрессивно обороняющейся от
любого рода вторжений.
Задание №4 (до 20 баллов)
Некоторые хищники (например, удав) заглатывают добычу целиком, но при
этом они довольно быстро её переваривают. Необходимо заметить, что жертва, как
правило, имеет весьма эффективные защитные покровы из кожи и шерсти.
Вопросы:
1. Объясните процесс переваривания добычи удавом на примере кролика,
проглоченного целиком?
2. Какие процессы и факторы играют ключевую роль при переваривании
кролика, проглоченного удавом целиком?
Примерное содержание ответа:
Полное переваривание добычи у удава, проглоченной целиком, происходит за
счет ферментов содержащихся в самой добыче, их вклад составляет до 50% и более.
Благодаря этому удав тратит минимум в 2 раза меньше энергии на переваривание
проглоченной целиком пищи. «Самопереваривание, саморастворение» добычи,
проглоченной целиком, в организме змеи происходит только в том случае, когда
удав поедает сырую (живую) пищу.
Ключевую роль здесь играет «индуцированный аутолиз» – это тип
пищеварения, при котором добыча обеспечивает собственное переваривание и
последующее усвоение хищником.
Индуцированный аутолиз кролика реализуется за счет собственных ферментов
кролика, находящихся в многочисленных лизосомах его клеток, а пищеварительные
ферменты змеи создают лишь благоприятные условия для их действия,
подготавливают почву.
Известно, что именно кислый желудочный сок хищника индуцирует
самопереваривание жертвы ее же ферментами. В результате его воздействия на тело
жертвы происходит разрушение клеточных лизосом и выход их ферментов
(предназначенных для внутриклеточного пищеварения) в собственные клетки.
Многочисленные лизосомальные гидролазы жертвы начинают разрушать клеточные
структуры, переваривать собственные клетки. В результате жертва фактически сама
себя переваривает собственными ферментами, а уже затем усваивается организмом
хищника, который при этом прилагает минимум усилий.
Доказано, что явление индуцированного аутолиза существует не только у
плотоядных, но и у растительноядных позвоночных животных, а так же у
простейших и плоских червей.
Условия, необходимые для успешного самопереваривания – индуцированного
аутолиза:
1. Пища должна быть съедена заживо. И не должна подвергаться никакой
предварительной обработке.
2. Очень важен показатель рН среды кишечника удава.
3. Важен температурный режим.
4. Важным
моментом являются
кишечника удава.
волнообразные
сокращения
стенок
Задание №5 (до 20 баллов)
В фантастической литературе встречается такой термин как «Вездесущие
твари». А в науке экология принято выделять четыре основных типа сред обитания
организмов: наземно-воздушную, водную, почвенную и организменную. Очень
часто животные во взрослом состоянии обитают только в одной из них.
Вопросы:
1. Как вы думаете, какие преимущества получают обитатели нескольких сред
одновременно?
2. Постройте, сконструируйте модель взрослого животного, ведущего активный
образ жизни во всех четырех средах.
3. Опишите его физиологические, морфологические и этологические
особенности.
4. Почему животные, выбравшие такую стратегию, не встречаются сегодня
среди современной фауны?
Примерное содержание ответа:
Очевидно, что однозначного ответа на этот вопрос у науки нет. В ответе на
этот вопрос очень важно показать логичность своих рассуждений и выбранного
варианта модели «Вездесущей твари» – живого организма, который мог бы освоить
все четыре среды обитания, и успешно там вести свою жизнедеятельность.
Свои рассуждения можно было построить, например, на основе уникальных
способностей одноклеточных организмов, таких как прокариоты.
В основе рассуждений могли быть и многоклеточные формы, которые, скорее
всего, должны иметь маленькие размеры и универсальные приспособленности. Т.е.
они не должны иметь специализации и для них, скорее всего, должен быть
характерен сапротрофный тип питания. Наверное, червеобразная форма тела и т.д.
Баллы в этом вопросе вы набирали за счёт логичного и аргументированного
доказательства выбранной вами стратегии – модели «Вездесущей твари».
Существует ряд правил, выведенных наукой «биология» для процессов
макроэволюции. Обратите внимание на те, что соответствуют последнему вопросу в
задании:
1. Правило прогрессирующей специализации (Ш. Депере, 1876) гласит,
что группа, вступившая на путь специализации, как правило, в
дальнейшем развитии будет идти по пути все более глубокой
специализации.
2. Правило происхождения от неспециализированных предков (Э. Коп,
1896) гласит, что обычно новые крупные группы берут начало не от
специализированных
предковых
групп,
а
от
сравнительно
неспециализированных.
3. Правило адаптивной радиации (Г.Ф. Осборн, 1902) гласит, что
филогенез любой группы сопровождается разделением группы на ряд
отдельных филогенетических стволов, которые расходятся в разных
адаптивных направлениях от некоего исходного среднего состояния. (В
основе лежит принцип дивергенции, описанный Ч. Дарвином в 1859
году).
4. Правило усиления интеграции биологических систем (И.И.
Шмальгаузен, 1961) можно сформулировать так: биологические
системы в процессе эволюции становятся все более интегрированными,
со
все
более
развитыми
регуляторными
механизмами,
обеспечивающими такую интеграцию.